Extreem vlak silicium is de basis van nieuwe ver-infrarood spectrometer

Bij SRON Ruimteonderzoek in Groningen is een apparaat ontwikkeld dat infrarood licht van een specifieke golfengte uit een lichtstraal kan filteren, iets wat belangrijk is voor astronomische observaties. Bij de ontwikkeling waren verschillende instituten in sterrenkunde en techniek betrokken. En (toenmalig) bachelor student Sterrenkunde Carolien Feenstra speelde een hoofdrol: zij bouwde eerst een prototype, en toen het echte instrument, dat eind november is getest in Canada.

Willem Jellema (senior instrument wetenschapper bij SRON Groningen en assistant professor aan het Kapteyn Instiuut voor sterrenkunde van de RUG) en Carolien Feenstra (inmiddels in het eerste jaar van haar Master opleiding Technische Natuurkunde aan de RUG) zijn net terug van een bezoek aan de universiteit van Lethbridge in Canada. Daar waren ze voor de test van een instrument dat fotonen van één specifieke golflengte kan isoleren uit ver-infrarood licht. De golflengte die het instrument oppikt is bovendien in te stellen. ‘Het was een mooie afronding van het project dat Carolien bij ons heeft gedaan’, zegt Jellema.

Feenstra bouwde een prototype van een etalon, een instrument dat wordt gebruikt om de golflengte van licht te meten en te regelen. Zij deed dit als onderzoeksproject voor haar bachelor Sterrenkunde, twee jaar geleden. Dit apparaat was bedoeld voor het SAFARI instrument, onderdeel van de SPICA infrarood ruimtetelescoop. SAFARI is een spectrometer voor de analyse van ver-infrarood licht, waarmee sterrenkundigen zwakke signalen van de oudste sterrenstelsels kunnen onderzoeken. Daarnaast is het te gebruiken om ijs en waterdamp te bestuderen in stofschijven waarin planeten ontstaan. Het instrument moet licht van verschillende golflengten met grote precisie kunnen analyseren.

Stuiteren

Jellema laat een ronde spiegel in een soort doos zien: het is een schijf hoge kwaliteit monokristallijn silicium, het materiaal waarvan de ‘wafers’ voor de productie van computerchips zijn gemaakt. ‘Dit is het prototype, waarmee we ons concept hebben getest.’ Dat was gebaseerd op een zogeheten Fabry-Pérot etalon. Silicium laat infrarood licht bijna volledig door. Maar wanneer je een aantal lagen silicium op elkaar plaatst met daartussen luchtspleten, zal de verandering in brekingsindex op de grensvlakken de fotonen beïnvloeden. Ze gaan tussen de lagen heen en weer stuiteren en, afhankelijk van de golflengte, stuiteren ze terug of ze gaan uiteindelijk juist door het materiaal heen.

‘De dikte van de luchtspleet tussen de lagen en de dikte van het silicium bepalen welke golflengten er doorheen gaan’, legt Jellema uit. Het systeem werkt alleen wanneer het silicium volkomen vlak en glad is. Het prototype was gebouwd voor iets langere golflengten, waardoor kleine onvolkomenheden niet zo erg waren. ‘Hiermee konden we laten zien dat het principe werkt, ook wanneer we het systeem afkoelden tot 4 graden Kelvin.’ Dat is minus 269 graden Celsius.

Toen het prototype van Feenstra bleek te werken, is een tweede prototype gebouwd dat werkt bij de golflengten van SAFARI. Een aantal ultradunne laagjes silicium, dunner dan een mensenhaar, werden aan beide zijden van een blokje silicium van 8 millimeter dikte gestapeld. Deze laagjes waren extreem vlak en glad. ‘Een specialist in het slijpen en polijsten van lenzen, Rik ter Horst, heeft ze gemaakt’, zegt Jellema. Ter Horst werkt voor de Optische en Infrarood groep van de Nederlandse onderzoekschool voor sterrenkunde NOVA, in Dwingeloo. Maar hij maakte de silicium onderdelen in een werkplaats bij zijn huis in Zuidwolde. Vervolgens is het ultradunne silicium verder verwerkt in de clean room van SRON Utrecht. Ten slotte is micro-mechanische apparatuur van het Kavli Nanolab aan de TU Delft gebruikt om holtes te etsen in de laagjes.

Golflengte

Nadat de silicium laagjes op elkaar gestapeld waren vormden de holtes de spleten waarin de fotonen werden gevangen. ‘Maar we moeten de golflengte die wordt gefilterd ook kunnen instellen’, legt Jellema uit. De meest eenvoudige manier daarvoor was een systeem te maken waarbij de hoek waaronder het licht op het apparaat valt is te veranderen: als het loodrecht op de strips silicium valt volgt het de kortste route, hoeken maken die route langer. Dat maakt het mogelijk verschillende golflengten uit het licht te filteren.

De reis naar Canada in november liet zien dat het systeem zeer goed werkt, zelfs bij 4 Kelvin. ‘Toch zal het systeem niet worden gebruikt op de spectrometer van SAFARI’, zegt Jellema. ‘Ons systeem was een back-up oplossing, maar het eerste systeem werkte al goed, ook al omdat een ultrahoge spectrale resolutie hierbij niet nodig is.’

Mogelijk wordt het SRON systeem wel gebruikt voor de kallibratie van SAFARI, of voor testen op de grond. ‘En Franse astronomen in het IRAP astrofysica lab in Toulouse willen het misschien gebruiken voor een ballon-missie die in 2019 en 2020 boven Canada zal vliegen, en mogelijk ook boven Australië. Het komt dan op een instrument dat geïoniseerde koolstof zal meten in de interstellaire ruimte. En het robuuste en compacte ontwerp maakt het instrument ook een geschikte kandidaat voor de infraroodtelescoop die op den duur de James Webb ruimtetelescoop – die pas over ongeveer drie jaar wordt gelanceerd - moet vervangen.

Overstap

Voor Feenstra liep het hele project uit op een overstap na haar bachelor in Sterrenkunde: ze vond de technische uitdaging om een instrument te bouwen zo leuk dat ze nu een master in technische natuurkunde doet. Die overstap kostte haar een jaar, waarin ze haar technische kennis bijspijkerde en werkte aan het tweede prototype. ‘Misschien dat ik uiteindelijk ook in ruimteonderzoek terechtkom, maar ik houd al mijn opties nog even open’, zegt zij.

Het hele project heeft een hoop opgeleverd, vindt Jellema. ‘Allereerst heeft het de samenwerking tussen SRON, het Kapteyn Instituut van de RUG en de Optische en Infrarood groep in Dwingeloo versterkt. Bovendien hebben we nauw samengewerkt met het ENgineering and TEchnology institute Groningen (ENTEG) van de RUG op het terrein van optische technologie en regeltechniek.’ De gebruikte technologie levert nieuwe mogelijkheden op, doordat ze de kennis van verschillende onderzoeksinstituten combineert. ‘Dit ontwerp gebruikt de top van verschillende takken van techniek.’

In het Kavli Nanolab aan de TU Delft heeft het project al gezorgd voor plannen om te gaan werken aan metamaterialen, slimme optische componenten en systemen. ‘En er is ook een samenwerking in onderwijs, bijvoorbeeld via de nieuwe Masteropleiding Mechanical Engineering’, besluit Jellema. ‘Het laat zien hoeveel kwaliteit en kennis in techniek er aanwezig is in dit deel van het land.

Het project was een samenwerking van SRON, Rijksuniversiteit Groningen, Universiteit van Lethbridge en Universiteit van Cardiff.

Zie ook het nieuwsbericht bij SRON en een nieuwsbericht van de Universiteit van Lethbridge.